Випромінювання потужних лазерних імпульсів на шматки пластику дало нове розуміння того, як алмази можуть утворюватися та падати на планети-крижані гіганти, такі як Нептун і Уран. Експеримент дослідників з Німеччини, Франції та США також може призвести до кращого промислового процесу виготовлення алмазів тут, на Землі.
Член команди Домінік Краус в Університеті Ростока пояснює, що група використовувала енергійні імпульсні оптичні лазери, щоб запустити ударну хвилю стиснення в плівку з ПЕТ-пластику. Тиск хвилі приблизно в один мільйон разів перевищував атмосферний тиск Землі, що імітує умови за кілька тисяч кілометрів під поверхнею крижаних гігантів, таких як Нептун і Уран. Ударна хвиля поширюється лише кілька наносекунд, але цього часу було достатньо для команди, щоб використати фемтосекундні імпульси від рентгенівських лазерів на вільних електронах, щоб зробити «фільми» хімічних процесів у стиснутих при ударі зразках.
«Ми використовували дві основні діагностичні методики, — каже Краус. «Рентгенівська дифракція, яка показала нам, що утворюються кристалічні структури алмазу, і малокутове розсіювання рентгенівського випромінювання, яке забезпечило на місці розподіл розмірів створених діамантів». Він додає, що поєднання цих двох методів в одному експерименті є надзвичайно потужним способом охарактеризувати хімічні реакції в таких екстремальних умовах.
Крижані гіганти і пластикові пляшки
ПЕТ — це той самий матеріал, який використовується у пластикових пляшках, але в цьому випадку була використана проста плівка ПЕТ, а не більш товстий матеріал, який є у пляшках.
«Ми використовували ПЕТ-пластик, оскільки він містить суміш легких елементів, які, як вважають, є основними складовими крижаних планет-гігантів: водень, вуглець, кисень», — каже Краус. «У той же час ПЕТ стехіометрично є сумішшю вуглецю і води. Ми хотіли вирішити питання про те, чи може випадати алмаз у вигляді осаду шляхом розщеплення вуглецю та водню в присутності кисню».
Дослідження не тільки дає важливу інформацію про хімічні процеси, які відбуваються на цих далеких планетах, але й дає підказки про те, як крижані гіганти можуть утворювати магнітні поля. Магнітне поле Землі створюється рухом рідкого заліза в зовнішньому ядрі нашої планети. Уран і Нептун мають дуже різні магнітні поля, які, на думку деяких планетологів, створюються набагато ближче до поверхні планет суперіонною водою. У цій формі води атоми кисню утворюють кристалічну решітку, через яку іони водню можуть протікати як рідина, створюючи таким чином магнітні поля.
«Ми не бачили прямих доказів утворення суперіонної води в цих експериментах, оскільки тиск, ймовірно, був занадто низьким», — говорить Краус. «Однак спостережуване розщеплення вуглецю та води, безумовно, вказує на утворення суперіонної води на таких планетах, як Уран і Нептун».
Промислові алмази
Дослідження також може мати важливі наслідки для промислового виробництва алмазів.
«У нашому експерименті алмази досягли розміру приблизно 2–5 нм», — каже Краус. «Це лише від кількох 100 до кількох 1000 атомів вуглецю. Це більш ніж у 10,000 XNUMX разів менше товщини людської волосини. Слід зазначити, що в наших експериментах алмази мають лише наносекунди для зростання. Ось чому вони такі маленькі. На планетах вони, звичайно, зростуть набагато більше протягом мільйонів років».
Фази суперіонного льоду можуть пояснити незвичайні магнітні поля навколо Урана та Нептуна
У поточному стані метод, використаний у цьому експерименті, не дає достатньо наноалмазів, щоб наблизитися до практичного промислового процесу. Проте Краус зазначає, що нова технологія набагато чистіша, ніж поточний метод використання вибухових речовин для виробництва промислових наноалмазів. Ці вибухонебезпечні процеси важко контролювати та брудні порівняно з лазерним ударним стисненням пластмас. Хоча малоймовірно, що ми будемо викопувати пляшки зі звалища, щоб перетворити їх на алмази в промислових масштабах, Краус вважає, що цей процес може стати набагато ефективнішим, ніж сучасні методи.
«Зараз ми створюємо лише кілька мікрограмів наноалмазів за лазерний постріл», — каже Краус. «Але революційне збільшення швидкості пострілів цих лазерів має дозволити виробництво макроскопічних кількостей».
Дослідження описано в Наука розвивається.
